Номер 3, страница 85 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

3. Зачем на ось коленчатого вала двигателя насаживают маховик (тяжелый сплошной диск)?

Решение

Маховик, представляющий собой тяжёлый сплошной диск, устанавливается на коленчатый вал двигателя для сглаживания неравномерности его вращения. Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания циклична, и крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал, сильно изменяется в течение одного рабочего цикла. Основные функции маховика можно объяснить с точки зрения физики вращательного движения.

Главная характеристика маховика — это его большой момент инерции ($I$). Момент инерции является мерой инертности тела во вращательном движении, подобно тому как масса является мерой инертности в поступательном движении. Чем больше момент инерции, тем сложнее изменить угловую скорость тела.

В двигателе внутреннего сгорания (например, четырёхтактном) полезная работа совершается только во время одного такта — рабочего хода, когда расширяющиеся газы толкают поршень. В остальные такты (впуск, сжатие, выпуск) двигатель сам потребляет энергию для вращения коленчатого вала. Это приводит к возникновению пульсирующего крутящего момента.

Маховик решает эту проблему следующим образом:

1. Накопление и отдача энергии. Во время рабочего хода, когда создается избыточный крутящий момент, маховик немного ускоряется, накапливая кинетическую энергию вращения, которая определяется формулой $E_k = \frac{1}{2} I \omega^2$. Затем, во время вспомогательных тактов, когда требуется затратить энергию, маховик, вращаясь по инерции, отдает накопленную энергию, поддерживая вращение коленчатого вала. Он работает как механический аккумулятор энергии.

2. Стабилизация угловой скорости. Согласно основному уравнению динамики вращательного движения, угловое ускорение $\epsilon$ связано с результирующим моментом сил $\tau$ и моментом инерции $I$ соотношением $\epsilon = \frac{\tau}{I}$. Благодаря большому моменту инерции $I$ маховика, даже при значительных колебаниях крутящего момента $\tau$, результирующее угловое ускорение $\epsilon$ оказывается небольшим. Это означает, что угловая скорость $\omega$ коленчатого вала изменяется плавно, без резких рывков, что обеспечивает более комфортную и стабильную работу двигателя и всего автомобиля.

Без маховика двигатель работал бы с сильными вибрациями и рывками, а на низких оборотах, скорее всего, глох бы между рабочими ходами поршней.

Ответ:

Маховик устанавливают на ось коленчатого вала двигателя для того, чтобы сгладить неравномерность вращения, вызванную циклическим характером работы двигателя. Обладая большим моментом инерции, маховик накапливает кинетическую энергию во время рабочего хода поршня и отдает ее во время вспомогательных тактов, тем самым стабилизируя угловую скорость коленчатого вала и обеспечивая плавную и устойчивую работу двигателя.